RJ45電路基礎(chǔ)知識

一、網(wǎng)線介紹

    雙絞線由兩根絕緣銅導(dǎo)線相互纏繞而成。兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定密度互相絞在一起，可降低信號干擾的程度，每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波也會被另一根線上發(fā)出的電波抵消。把一對或多對雙絞線放在一個絕緣套管中便成了雙絞線電纜，在局域網(wǎng)中常用4對雙絞線組成的。

1.1、UTP與STP

1.1.1、UTP（非屏蔽雙絞線）：

非屏蔽雙絞線抗干擾能力較差、誤碼率高，但由于價格便宜、安裝方便、故廣泛應(yīng)用于電話系統(tǒng)和計算機網(wǎng)絡(luò)中，成為最普遍的傳輸媒體。

1.1.2、STP（屏蔽雙絞線）：

屏蔽雙絞線的外面有一個金屬構(gòu)成的屏蔽層，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與非屏蔽雙絞線相同。屏蔽雙絞線的誤碼率明顯低于非屏蔽雙絞線，還可以比非屏蔽雙絞線支持更遠的距離，更高的傳輸率和連接更多的網(wǎng)點，但價格相對也就貴很多。    

1.1.3、雙絞線標(biāo)準(zhǔn)：

技術(shù)指標(biāo)參數(shù)

1.2、CAT3、CAT5、CAT6什么意思

1.2.1、三類線（CAT3）應(yīng)用范圍：

指在ANSI和EIA/TIA568標(biāo)準(zhǔn)中指定的電纜，該電纜的傳輸頻率16MHz，最高傳輸速率為10Mbps（10Mbit/s），主要應(yīng)用于語音、10Mbit/s（10BASE-T)和4Mbit/s，最大網(wǎng)段長度為100m，采用RJ形式的連接器，目前已淡出市場。

1.2.2、五類線（CAT5）應(yīng)用范圍：

該類電纜增加了繞線密度，外套一種高質(zhì)量的絕緣材料，線纜最高頻率帶寬為100MHz,最高傳輸速率為100Mbps（100Mbit/s），用于語音傳輸和最高傳輸速率為100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸，主要應(yīng)用于100BASE-T和1000BASE-T網(wǎng)絡(luò)，最大網(wǎng)段長度為100m，采用RJ形式的連接器，這是最常用的以太網(wǎng)電纜。

  超五類線（CAT5e）：具有衰減小、串?dāng)_小，具有更高的衰減與串?dāng)_比值（ACR）和信噪比（SNR）、更小時延誤差，性能得到很大提高，超五類線主要應(yīng)用于1000Mbps以太網(wǎng)。     

1.2.3、六類線（CAT6）應(yīng)用范圍：

該類電纜的傳輸頻率1MHz-250MHz之間，六類布線系統(tǒng)在200MHz時綜合衰減串?dāng)_比(PS_ACR)應(yīng)該有較大余量，它提供2倍于超五類線的帶寬。六類布線的傳輸性能遠遠高于超五類線標(biāo)準(zhǔn)，最適用于傳輸速率高于1Gbps的應(yīng)用。改善了串?dāng)_與回波損耗方面的性能，對于新一代全雙工的高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，優(yōu)良的回波損耗性能是極其重要的。

六類線標(biāo)準(zhǔn)中取消了基本鏈路模型，布線標(biāo)準(zhǔn)采用星形的拓撲結(jié)構(gòu)，要求的布線距離為：永久鏈路的長度不能超標(biāo)90m，信道長度不能超過100m。超六類線（CAT6e）：此類線傳輸帶寬介于六類線與七類線之間，傳輸頻率為500MHz，傳輸速率10Gbps，標(biāo)準(zhǔn)外徑為6mm。

二、以太網(wǎng)電路構(gòu)成

以太網(wǎng)電路主要包含：CPU、MAC控制器、PHY芯片、網(wǎng)絡(luò)變壓器和RJ45接頭組成，有的系統(tǒng)會有DMA控制。一般的系統(tǒng)中CPU和MAC以及DMA控制器都是集成在一塊芯片上的，為了節(jié)省空間簡化設(shè)計，很多時候網(wǎng)口的變壓器和RJ45的接頭集成在一起。

        終端系統(tǒng)以太網(wǎng)電路設(shè)計    

2.1、RJ45端口

RJ是Registered Jack的縮寫，意思是“注冊的插座”。在FCC（美國聯(lián)邦通信委員會標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)章）中RJ是描述公用電信網(wǎng)絡(luò)的接口，計算機網(wǎng)絡(luò)的RJ45是標(biāo)準(zhǔn)8位模塊化接口的俗稱。連接器由插頭（8P8C接頭，水晶頭）和插座組成。如下圖所示：

關(guān)于接頭引腳定義，目前存在兩種標(biāo)準(zhǔn)：T568A和T568B（最通用）。這兩者的主要區(qū)別是橙色和綠色雙絞線進行了交換，如下圖所示：

設(shè)計這兩種標(biāo)準(zhǔn)只是在線纜顏色上有所區(qū)別，目的是在線纜側(cè)實現(xiàn)交叉互連。網(wǎng)絡(luò)直通線常用于異種網(wǎng)絡(luò)之間的互連（比如計算機交換機之間），交叉線常用于同種網(wǎng)絡(luò)之間的互聯(lián)（比如計算機與之間）。不過現(xiàn)在PHY芯片大部分具有自動交叉（auto MDIX）的能力,只需要直連即可。不同網(wǎng)絡(luò)速率及網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)下引腳作用也不相同，如下圖示意：

2.2、網(wǎng)絡(luò)變壓器的組成與作用

2.2.1、什么是網(wǎng)絡(luò)變壓器：

網(wǎng)絡(luò)變壓器也稱網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器，或稱數(shù)據(jù)泵，主要應(yīng)用于路由器、網(wǎng)卡、集線器、網(wǎng)絡(luò)交換機。其主要作用如下：信號耦合、阻抗匹配、電氣隔離、共模干擾抑制

電氣隔離：

  網(wǎng)線長距離傳輸會有很大直流分量損失；如果外部網(wǎng)線與PHY芯片直接相連的話，電磁感應(yīng)（打雷）和靜電，很容易造成芯片的損壞。其次設(shè)備接地點不同、電網(wǎng)環(huán)境不同會導(dǎo)致發(fā)射端與接收端0V電平不一致，可能會導(dǎo)致很大的電流從電位高的設(shè)備流向電位低的設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)變壓器將PHY送出的差分信號用差模線圈耦合濾波以增強信號，并通過電磁場轉(zhuǎn)換耦合到接收端。網(wǎng)絡(luò)變壓器本身耐壓設(shè)計就2KV~3KV,也起到防雷作用。

共模抑制：

網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器具有電氣隔離，也可以隔離低頻差模干擾、共模干擾，但由于變壓器初次級之間寄生電容的存在，較高頻率的噪聲同樣被耦合到接收端，造成電信端傳導(dǎo)騷擾測試、電信端輻射測試不達標(biāo)。

2.2.2、網(wǎng)絡(luò)變壓器的主要參數(shù)：

網(wǎng)絡(luò)變壓器的主要參數(shù)：開路電感、漏電感、直流電阻、變壓器變壓比、雜散電容、插入損耗、反射損耗、串?dāng)_、共模抑制比、隔離電平等。

開路電感（Open Circuit Inductance）：

當(dāng)變壓器二次側(cè)開路，測量到一次側(cè)的電感。

漏感（Leakage Inductance）：

當(dāng)變壓器二次側(cè)短路，測量到一次側(cè)的電感。

雜散電容（Inter-winding Capacitance):

當(dāng)變壓器一次側(cè)與二次側(cè)之間的分布電容。

變壓器變壓比（Turns Ratio）:

當(dāng)變壓器一次側(cè)與二次側(cè)的圈數(shù)比。

插入損耗（Insertion Loss）:    

是指經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)變壓器的信號能量衰減。

反射損耗（Return Loss）:

反射損耗是用來描述實測阻抗與標(biāo)準(zhǔn)阻抗不匹配的程度，即包括幅值不同又包括相位的不同，反射損耗的表達式如下：

串?dāng)_（Crosstalk)

是指一個信號通道的無用信號耦合到另一個信號通道的大小。

具體參數(shù)如下圖所示：

2.2.3、網(wǎng)絡(luò)變壓器電路組成：

中心抽頭、網(wǎng)絡(luò)變壓器、共模電感。（可選）、自耦變壓器（可選）

                                                 網(wǎng)絡(luò)變壓器電路組成

中心抽頭作用：

  網(wǎng)絡(luò)變壓器中心抽頭主要有兩個作用：通過提供差分信號線上共模噪聲的低阻抗回流路徑，降低線纜上共模電流和共模電壓。對于某些收發(fā)器提供一個直流偏置電壓或功率源。

網(wǎng)絡(luò)變壓器中心抽頭電路原理

所以對于不同的問題頻率點，我們可以選擇不同的電容值提供低阻抗返回路徑，對于不同芯片、不同PCB板，容值的最佳選擇需實際嘗試。    

共模電感的應(yīng)用：

網(wǎng)絡(luò)變壓器集成的共模電感可以有效抑制共模電流引起的EMI問題，但需要特別注意共模電感的放置，如果放在芯片側(cè)則不適用于電流驅(qū)動型的芯片，如下圖所示，當(dāng)有用的信號電流流過共模電感一個線圈，或在兩個線圈中電流方向相同的時候，共模電感磁芯中的磁力線不能互相抵消，此電感會對有用信號產(chǎn)生，從而影響有用信號。

    為解決電流驅(qū)動型芯片共模電感放置芯片側(cè)影響有用信號傳輸?shù)膯栴}，三線共模電感應(yīng)運而生。流過中心抽頭線圈中的電流與有用信號線圈中的電流磁場互相抵消，減小線圈阻抗，保證有用信號的質(zhì)量，3線共模電感如下圖所示：

對于電流驅(qū)動型PHY芯片，共模電感要放于線纜側(cè)，如下圖應(yīng)用。自耦變壓器用于混合模式的端接。    

2.3、Bob Smith電路

  Bob Smith電路主要有兩個作用：提供網(wǎng)口任意兩對差分信號間150ohm的阻抗匹配；可以為共模信號提供低阻抗回流路徑。

基于第一種功能作用，可以清楚地看到共模電感放在電纜側(cè)時是不能滿足Bob Smith電路的阻抗匹配要求，如下圖所示：

此時Bob Smith匹配電阻不是150ohm，而變成Z=75ohm*2+ZCMC*2，不能滿足阻抗匹配要求，所以共模電感不能放在電纜側(cè)，如果要放在電纜側(cè)，則需要額外增加自耦變壓器，如下圖所示：    

基于第二種功能作用，要想在較寬頻率范圍內(nèi)獲得低阻抗，需要控制連線阻抗，保證Bob Smith電路低阻抗連接。針對不同的問題頻率點還可以適當(dāng)Bob Smith電路電容的容值。其作用與中心抽頭電容類似，但因為其串聯(lián)75ohm電阻，并且其是高壓電容，容值能選擇的范圍有限，但也可以成為調(diào)整解決網(wǎng)絡(luò)EMC問題的一個方面。

2.4、MAC&PHY芯片電路

2.4.1、MAC：

MAC即Media Access Control,即媒體訪問控制子層協(xié)議。該協(xié)議位于OSI七層協(xié)議中數(shù)據(jù)鏈路層的下半部分,主要負責(zé)控制與連接物理層的物理介質(zhì)。在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，MAC協(xié)議可以事先判斷是否可以發(fā)送數(shù)據(jù)，如果可以發(fā)送將給數(shù)據(jù)加上一些控制信息，最終將數(shù)據(jù)以及控制信息以規(guī)定的格式發(fā)送到物理層;在接收數(shù)據(jù)的時候，MAC協(xié)議首先判斷輸入的信息并是否發(fā)生傳輸錯誤,如果沒有錯誤,則去掉控制信息發(fā)送至LLC層。該層協(xié)議是以太網(wǎng)MAC由IEEE-802.3以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)定義。

2.4.2、PHY芯片：

PHY是物理接口收發(fā)器，它實現(xiàn)物理層，IEEE-802.3標(biāo)準(zhǔn)定義了以太網(wǎng)PHY。包括MII/GMII(介質(zhì)獨立接口)子層，PCS(物理編碼子層)，PMA(物理介質(zhì)附加)子層，PMD(物理介質(zhì)相關(guān))子層，MDI子層。它符合IEEE-802.3k中用于10BaseT(第14條)和100BaseTX(第24條和第25條)的規(guī)范。PHY在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，收到MAC過來的數(shù)據(jù)(對PHY來說，沒有幀的概念，對它來說，都是數(shù)據(jù)而不管什么地址,數(shù)據(jù)還是CRC。對于100BaseTX因為使用4B/5B編碼,每4bit就增加1bit的檢錯碼)，然后把并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為串行流數(shù)據(jù)，再按照物理層的編碼規(guī)則把數(shù)據(jù)編碼，再變?yōu)槟M信號把數(shù)據(jù)送出去,收數(shù)據(jù)時的流程反之。    

RGMII PHY芯片內(nèi)部原理框圖    

2.4.3、MII、RMII、GMII、RGMII：

MII接口簡介:

MII即“媒體獨立接口”，也叫“獨立于介質(zhì)的接口”。它是IEEE-802.3定義的以太網(wǎng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。它包括一個數(shù)據(jù)接口，以及一個MAC和PHY之間的管理接口。RMII全稱為“簡化的媒體獨立接口”，是IEEE-802.3u標(biāo)準(zhǔn)中除MII接口之外的另一種實現(xiàn)。

MII接口信號定義:    

MAC 通過MIIM 接口讀取PHY 狀態(tài)寄存器以得知目前PHY 的狀態(tài)。連接速度、雙工的能力等。也可以通過 MIIM設(shè)置PHY的寄存器達到控制的目的。流控的打開關(guān)閉、自協(xié)商模式還是強制模式等。MII以4位半字節(jié)方式傳送數(shù)據(jù)雙向傳輸，時鐘速率25MHz。其工作速率可達100Mb/s。當(dāng)時鐘頻率為2.5MHz時，對應(yīng)速率為10Mb/s。MII接口雖然很靈活但由于信號線太多限制多接口網(wǎng)口的發(fā)展，后續(xù)又衍生出RMII，SMII等。

RMII接口簡介：

RMII(Reduced Media Independant Interface),精簡MII接口，節(jié)省了一半的數(shù)據(jù)線。RMII收發(fā)使用2位數(shù)據(jù)進行傳輸，收發(fā)時鐘均采用50MHz時鐘源。信號定義如下：    

 GMII接口簡介：

GMII(Gigabit Media Independant Interface)千兆MII接口，GMII采用8位接口數(shù)據(jù)，工作時鐘125MHz，傳輸速率可達1000Mbps。同時兼容MII所規(guī)定的10/100 Mbps工作方式。GMII接口數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合IEEE以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，該接口定義見IEEE 802.3-2000。信號定義如下：

SMII接口簡介：    

SMII(Serial Media Independant Interface),串行MII接口，它包括TXD,RXD,SYNC三個信號線，共用一個時鐘信號，時鐘信號是125MHz,信號線與此時鐘同步,信號定義如下：

RGMII接口簡介：

RGMII(Reduced Gigabit Media Independant Interface),精簡GMII接口。相對于GMII相比，RGMII具有如下特征：

?發(fā)送/接收數(shù)據(jù)線由8條改為4條

?TX_ER和TX_EN復(fù)用，通過TX_CTL傳送

?RX_ER與RX_DV復(fù)用，通過RX_CTL傳送

?1 Gbit/s速率下，時鐘頻率為125MHz

?100 Mbit/s速率下，時鐘頻率為25MHz

?10 Mbit/s速率下，時鐘頻率為2.5MHz

信號定義如下：